本科毕业设计_新型高压直流输电系统换流站参数设计研究文档格式.doc
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2.2.1基于三相两电平VSC的正弦脉宽调制 9
2.2.2VSC的控制方式研究 11
3VSC-HVDC的参数设计 13
3.1Estlink工程简介 13
3.2换流变压器参数设计 13
3.2.1换流变压器简要介绍 13
3.2.3整流侧换流变压器参数设计 14
3.3交流电抗器参数设计 16
3.3.1交流电抗器简要介绍 16
3.3.2整流站交流电抗器参数选择 16
3.4直流侧电容参数设计 18
3.4.1直流侧电容简要介绍 18
3.4.2整流站直流侧电容参数设计 18
3.5交流滤波器参数设计 20
3.5.1交流滤波器简要介绍 20
3.5.2交流滤波器参数设计 20
4仿真分析 23
4.1仿真软件PSCAD简介 23
4.2换流站参数仿真分析 24
5结论 27
参考文献 28
致谢 30
1绪论
1.1课题背景和研究意义
1.1.1传统直流输电的背景
在特定的条件下,高压直流(HVDC)输电较交流输电有很多优点。
1954年,世界上首个工业应用的直流输电工程瑞典大陆与哥特兰岛之间的输电线路投入使用。
这套系统采用汞弧阀换流器,线路总长度90km,供给20MW的功率[1]。
从此,直流输电开始稳步发展。
高压直流输电因其自身的结构以及性能具有一系列的特点[2]:
①在经济性上,直流输电线路的造价和运行费用低于交流输电,但其换流站的整体费用比交流变电站的要高,因此在相同的输电容量下,输电距离越远直流输电的经济性更显优越。
②在互联性上,交流输电量受到同步发电机功角稳定性的限制,且输电距离越远,功角稳定问题和输电能力限制问题越严重,然而直流输电不存在功角稳定方面的问题。
交流系统的互联会造成短路容量的增大,由此造成断路器选择困难,而采用直流线路互联两个交流系统时不会使得短路容量增加。
另外,直流输电连接的两侧电网可以不同步运行,进而直流输电能实现电网非同步互联以及不同频率交流电网的互联。
③在控制性上,直流输电可以实现对线路上传输的功率进行快速控制,并且功率传输方向也可以很快地改变,因此可用于使得所连接的交流系统的稳定以及频率控制。
④高压直流输电的环路不会增加系统的短路功率,这样在设备的选择上比较经济和方便。
⑤高压直流输电主要应用是远距离输电,因为环境保护的要求级别越来越高,加上煤炭涨价等使得输电比输煤更加经济和环保,比如利用高压直流输电将西北的煤电和风电等电能输送到东部沿海等电荒比较严重的地区,在不发生大的改变的情况下可以通过高压直流输电技术来增加交流输电系统传输的电能。
⑥直流输电的缺点,直流输电换流站结构复杂、造价高,而且换流器会产生大量的谐波,若果该谐波注入所连交流系统会造成交流系统运行方面出现比较多的问题。
另一方面,传统的直流输电是电网换相技术,在传输有功功率的时候会吸收大量无功功率。
直流输电刚开始采用的是汞弧阀换流器,但是汞弧阀制造技术较复杂、价格昂贵,并且可能产生逆弧现象,从而造成直流输电系统可靠性低、运行维护麻烦等,使得直流输电的发展受得了限制[3]。
20世纪70年代,随着晶闸管阀的出现,高压直流输电又有了新的亮点和发展方向。
1972年建立的依尔河高压直流输电系统首次采用晶闸管阀。
换流设备发展为晶闸管阀使得其体积减小、成本降低,且输电系统的运行性能和可靠性得到提高。
从此,直流输电进入了晶闸管阀时代。
1.1.2新型直流输电(VSC-HVDC)出现的背景
由于晶闸管为半控器件,所以没有自关断电流的能力,并且其开关频率较低,从而使得换流器的性能受到很大限制,进而影响了传统直流输电与交流输电的竞争力以及其在电力领域的实际应用。
另一方面,随着世界性的能源紧缺和全球环境污染等问题的日益严重,风能和太阳能等可再生能源受到很大重视和利用,因其小型、分散且远离负荷中心,使得交流输电和传统的电流源换流器型高压直流输电在经济上很不划算。
再者海上钻井平台以及孤立小岛等的无源负荷,大都采用比较贵的本地发电装置,一点也不经济而且对环境有很大污染。
还有就是很多大城市每年的用电负荷都在增加,因此需要紧跟着用电负荷去扩充已有电网的容量,然而城市不比农村,其高楼大厦以及紧张的建筑用地使得电力走廊很有限,而且一般情况下配电线路都在地下铺设,所以需要更加经济灵活和环保的输配电方式以便解决这些难题。
随着电力电子器件的非常快速地研究和发展,出现了新的半导体器件绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)。
使用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为开关器件的换流器称为电压源换流器(Voltage-SourcedConverter,VSC)。
1990年,加拿大研究电力领域的学者第一次提出了基于电压源换流器(VSC)的新型高压直流输电(VSC-HVDC)技术的初步概念[3],即运用电压源换流器(VSC)和PWM技术的直流输电技术。
1997年,世界上第一个采用电压源换流器的直流输电工程--赫尔斯扬实验性工程投入运行,额定电压±
10kv,输送功率3MW[4]。
1999年6月,首个商业运行的VSC-HVDC输电工程在瑞典哥特兰(Gotland)岛投运,换流器为两电平结构,直流侧电压为±
80KV,输送容量为50MW,该系统主要用于将南斯(Nas)风电场的风电输送到哥特兰岛西岸的维斯比(Visby)市[5]。
根据它的技术特点以及实际运行上看,非常适合发展在可再生能源发电的并网、孤岛供电以及大城市地下电缆供电等领域。
从此,新型高压直流输电(VSC-HVDC)发展起来了。
1.1.3新型直流输电的应用前景
新型高压直流输电克服了传统直流输电的很多缺陷,具有很多适应市场需求的特点:
能够快速并且独立地控制与交流系统传输有功功率和无功功率,新型高压直流输电两端换流站能够吸收或者发出一定的无功功率,根据收到的无功功率调节命令或者交流系统侧电压高低来调节无功功率的发出或吸收;
可以控制公共连接点的交流母线电压;
提高交流输电的送电能力,主要原理是无功的快速控制能够抑制系统出现的暂态过电压,从而使得系统可以在最理想的条件下运行;
潮流反转灵活方便且能够自换相,直流输电中如果电流反向就可使得潮流反向,在新型直流输电中因其电力电子可控性好这方面控制很容易[3]。
综上,VSC-HVDC可以提高交流系统电压稳定性以及功角稳定性、降低损耗及故障后快速回复。
在施工方面,新型直流输电设计施工灵活方便并且施工周期短,在环境方面,其噪声污染和电磁场污染小并且没有油污。
综合以上特点,VSC-HVDC的应用领域有:
连接分散的小型发电厂,主要是新能源发电如风电、小型水电以及太阳能发电等;
偏远负荷供电;
交流电网的非同步互联;
利用电缆向城市中心供电可实现无污染;
海上钻井平台供电以及孤岛供电、提高交流配电网的电能质量等。
新型高压直流输电技术在世界范围内发展迅速,由于半导体功率开关器件(如IGBT)的容量以及电压等级的增加,另一方面在电力电子技术以及计算机控制技术的快速发展变化下,使得新型直流输电未来的发展方向是更大容量、更高电压等级,在世界不可再生能源紧缺以及环境保护的大背景下因其各种优点将会慢慢地完全取代传统的高压直流输电系统。
新型高压直流输电的应用可以为我国的工商业发展以及国民生活提供质量较好的足够的电能。
1.2国内外研究和应用现状
1.2.1国外研究和应用现状
新型高压直流输电自1997年世界上第一个工程投入工业试验以来,世界各国积极研究并广泛应用。
目前无论在基础理论还是工程实用化方面,国际上都有比较深入的研究[6]。
国际大电网会议组织在前几年成立了专门研究VSC-HVDC的工作组并研究相应的技术工作[7],重点工作是新型直流输电系统组件的试验方法,对新型直流输电组件的应力模型、试验方法等展开研究。
主要针对实际工程中遇到的难题和国际研究热点问题,如怎样提高VSC-HVDC的输电容量、降低其输电损耗和工程造价、提高系统安全可靠性以及如何支持交流电网等。
自新型高压直流输电技术发展以来已经有多个投入商业运行的工程,并且基本上由ABB公司制造,主要用于新能源发电、电网互联、电力交易以及海上钻进平台等领域。
首个基于模块化多电平VSC的新型直流输电技术由西门子公司提出,并将于2010年投运第一个“TransBayCableProject”工程。
容量400MW,额定直流电压±
200KV,每个桥臂由216个子模块组成。
ABB公司第一条架空线型的VSC-HVDC输电工程将于2009年底实现单极运行,该工程全长970km,单极容量300MW,额定电压350KV。
相关研究和工程实际表明,基于元件串联的多电平拓扑以及模块化多电平拓扑都可以将新型高压直流输电的电压等级提升到±
350kV,容量1000MW或更高[6]。
目前发展新型高压直流输电的技术难题不大,且世界范围内积极深入研究,发展态势良好。
1.2.2国内研究和应用现状
VSC-HVDC技术在国内的研究起步较晚,90年代末期,国内的一些知名大学如浙江大学、华中科技大学等在国家的一些项目资助下对新型高压直流输电做了跟踪性的基础理论研究[6]。
2007年底,浙江大学和上海市电力公司等企业单位完成了新型直流输电技术的前期工程和基础理论研究工作。
这个研究与我国实际情况相结合,首先从应用规划、可靠性、经济性、控制保护、环境影响和谐波与接地系统等全方位考虑了VSC-HVDC在我国发展的可行性。
该研究表明:
我国风能和太阳能发电等可再生能源发电潜力巨大,在未来十年计划兴建6个百万千瓦级乃至更大的大型风电场,另一方面我国海岛众多且东部沿海城市供电压力大,而新型直流输电技术在这些领域应用潜力很大,能够带来很大的社会效益和经济效益。
2008年8月,国家电网公司重大科技专项“柔性直流输电关键技术研究及示范”项目在上海正式启动[8]。
在国内开展了一系列研究之后,最终完成了VSC-HVDC示范工程所需的关键设备技术参数设计,实现了部分设备国产化,研制出了一台容量20MW,额定电压±
50kV的VSC-HVDC系统关键设备,并且通过了一系列试验验证,于2010年建成了我国首个VSC-HVDC示范工程--上海南汇风电场。
项目组目前已经取得了重要的研究成果,该示范工程的投入将在未来极大地促进新型直流输电工程在我国的研究开发和推广应用。
2012年2月,大连规划建设世界上容量最大的VSC-HVDC工程——大连跨海柔性直流输电工程[24]。
其设计的额定最大容量为1000MW,额定电压等级是±
320kV,这个工程的建造目的是给大连市区供电,从而提高这个地区的电力输送能力以及提高原有交流供电系统的稳定性和可靠性。
同年四月,由清华大学和南方电网公司以及其他几家单位共同承担的863计划课题——大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发[23],将在广东汕头南澳岛建造,计划设计容量200MW,额定直流电压±
160kV,为多端新型直流输电系统且现已投入使用。
同年十二月十四日,世界上首个五端VSC-HVDC输电工程——舟山多端VSC-HVDC输电示范工程得到了浙江省发改委的项目核准批复,此工程计划建造换流站五个,额定直流电压±
200kV,五个换流站分别计划建在定海、岱山、衢山和洋山以及泗礁等地,且额定容量分别是400MW、300MW和100MW,从而实现了舟山地区几个海岛之间的电力互联互送[23]。
1.3本论文的主要研究工作
直流输电是交流输电方式的重要补充,二者共同构成了现代电力传输系统。
未来我国电网建设的原则将是交直流相辅相成、共同发展。
相比传统的高压直流输电系统,新发展的VSC-HVDC系统能够向无源网络供电、换流站占地面积小等诸多优点,正成为高压直流输电的主干力量。
因此,掌握VSC-HVDC的工作原理和参数设计显得非常重要,本论文的主要工作包括:
(1)首先第一章对高压直流输电做了简要介绍,由传统的直流输电引出了新型高压直流输电(VSC-HVDC)出现的历史背景以及最初应用,也介绍了VSC-HVDC在国内外的工程应用现状以及许多应用上的优点。
(2)第二章介绍了VSC以及VSC-HVDC的基本原理,PWM四象限运行原理分析及正弦脉宽调制(SPWM),三相两电平VSC的主电路拓扑结构分析以及其在PWM调制时的原理分析,VSC的控制方式研究。
(3)第三章是换流站参数设计,主要对换流变压器的主要功能做了介绍,对参数进行了最优设计,对交流电抗器的主要功能做了介绍以及对参数进行了设计,对直流侧电容的主要功能做了介绍以及对参数进行了设计。
(4)第四章是仿真分析,对仿真软件做了详细介绍,对所设计的参数在软件PSCAD里进行了仿真以及结果分析。
2VSC的工作原理及控制方式
2.1电压源换流器的原理分析
2.1.1VSC的结构及基本原理分析
VSC为电压源换相高压直流输电系统的核心部件,是决定整个换流站性能、运行方式、运行损耗以及设备成本等的关键因素。
VSC是基于全控型半导体器件的电力电子变换装置,基本原理框图如图2.1所示。
图2.1VSC的基本原理框图
在图2.1中,表示VSC的方框包含其基本结构单元。
由于VSC中直流电压极性不变并且直流电流是双向的,因此电压源换流器阀通常由可关断器件如IGBT与反并联二极管构成其基本单元,反向二极管是负载向直流反馈能量的通道,同时也使得负载电流连续。
其直流侧的并联支撑电容应该足够大,这样才能在持续充放电和器件换相过程中保持其电压恒定不变。
其交流侧的相电抗器是为了防止在交流电源内阻抗比较小的情况下由于直流电容短路导致其快速向容性负载放电,进而导致电力电子器件以及换流装置损坏,另一方面,交流电抗器也是VSC与交流系统侧进行能量交换的纽带。
在输出侧相电抗器之后装设滤波设备可以消除换流器的输出谐波[3]。
2.1.2PWM整流电路的四象限运行原理分析
面积等效原理源自采样控制理论,是其中一个比较重要的结论理论。
其原理是冲量(窄脉冲的面积)相同、形状不一样的窄脉冲出现在有惯性的环节上,效果差不多一样。
效果差不多一样,主要指这个环节的输出响应波形差不多一样。
如果把每个输出波形运用傅里叶变换分析,那么可以看到其低频段特性很相似,只是在高频段有一点点差别[23]。
根据这个面积等效原理,脉冲宽度调制(Pulsewidthmodulation,PWM)技术出现了。
PWM调制主要值得是采用调制电压脉冲的宽度从而得到所期望的基波以及谐波电压的过程,通过调制所有的脉冲宽度从而等效的得到想要的波形,这其中包含形状以及幅值。
现以单相PWM整流电路进行说明,换流站工作在整流还是逆变状态,由、两者的幅值和相角差δ的关系[9]决定,如下图所示:
图a中,滞后相角,和相位完全相同,电路工作在整流状态,且此时功率因数是1,能量传输方向是交流侧到直流侧,这也是PWM整流电路最基本的工作状态。
图2.2PWM整流电路的运行方式向量图
图b中,超前的相角是,和的相位正好相反,此时电路工作在逆变状态,且其功率因数是-1,能量传输方向是直流侧到交流侧。
图c中,滞后的相角是,超前90度,这时电路向交流电源侧输送无功功率,此电路叫做静止无功功率发生器(StaticVarGenerator——SVG),而不再叫PWM整流电路。
图d中,通过控制的幅值与相位,能够使得比超前或者滞后任一角度。
2.1.3三相两电平VSC的主电路拓扑结构分析
三相两电平VSC的主电路结构如图2.3所示。
总共有3个桥臂,每个桥臂均是由两组可关断器件及其相应的反并联续流二级管组成的,在电压等级较大及功率较大的时候,为了增大换流器的容量以及其电压等级,各个桥臂是几个IGBT和相并联的二极管通过串联在一起组成,其中串联的个数决定于换流器的额定功率、开关器件的耐压强度及通流能力和电压等级。
直流侧两电容间中性点n为假想的电位参考点,直流侧电压Udc,上、下两直流电容电压都为,电阻Rdc代表VSC的开关损耗等效电阻;
VSC交流系统侧通过阻抗负载和交流电源相连,交流侧电感包含相电抗器的电感、交流电源内部电感以及变压器漏感,交流侧电阻包括交流电源的内阻和相电抗器中的电阻;
负载侧中性点记为N。
VSC每相输出仅取决于直流侧电压和功率开关器件的开关状态,而与负载电流方向无关。
在运用PWM调制时,换流器不含低次谐波,谐波主要集中在频率稍微高点的开关频率附近,这样滤波器也比较容易设计。
一般情况下3相2电平的电压源换流器大多数采用双极性的正弦脉宽调制(SPWM)。
图2.3三相两电平VSC拓扑结构
如图2.3所示,三相两电平VSC包含六个反并联续流二极管的单向可关断器件,其每相交流输出端都可与负直流母线或者正直流母线相连,VSC共有8种可能的输出状态,如图2.4所示(图中,“1”表示每相桥臂上半桥臂可控器件IGBT导通、下半桥臂可控器件IGBT关断;
“0”表示每相桥臂上半桥臂可控器件IGBT关断、下半桥臂可控器件IGBT导通)。
图2.4三相两电平VSC的8种可能输出状态
2.1.4三相两电平VSC在PWM调制时原理及特性
三相两电平VSC使用PWM调制时不包含低次谐波,主要次谐波集中在频率相对较高的开关频率附近处[3],这样便于滤波器的设计。
另一方面,在恒定直流输入电压下输出的电压幅值和频率等是可以灵活控制的,这使得其非常适用于工程应用。
由于三相两电平VSC各相输出相对于直流侧中性点的电压是两种电平,因此无法实现单极性调制,一般都采用双极性调制。
通常VSC可以采用的PWM调制方法有很多种,在工程实际中较多和较广使用的是正弦脉宽调制,对于SPWM,a、b、c三相的PWM控制公用一个三角波载波uc,ura、urb和urc三相调制信号的相位依次相差120°
,a、b、c三相的功率开关器件的控制规律相同,因此仅以a相为例来进行说明。
当ura>
uc时,上桥臂晶体管VT1加开通信号,下桥臂晶体管VT4加关断信号,则使得a相相对直流电源假想中点n有uan=Udc/2的输出电压;
当ura<
uc时,VT4加开通信号,VT1加关断信号,则uan=-Udc/2。
因VT1和VT4的驱动信号始终是互补的,所以当VT1(VT4)加开通信号时,有可能VT1(VT4)导通,也有可能二极管VD1(VD4)续流导通,这个则由原来感性负载中电流的大小和方向来决定。
2.2电压源换流器控制方式研究
2.2.1基于三相两电平VSC的正弦脉宽调制
换流器输出波形的控制一直是研究的重点方向,VSC的输出特性和换流器器件的开关频率关系密切,脉宽调制(PWM)技术能够改变开关频率从而使其输出好的正弦波形。
PWM(PulseWidthModulation)控制技术就是在每个工频周期内,多次关断或者开通主要开关器件,从而使得在半个周期内的交流电压输出成多脉冲序列,进而使脉冲数目、宽度和位置改变来调节交流电压的输出幅值和频率等参数,这样还能起到抑制谐波分量的作用[10]。
目前应用较广泛的PWM方案有正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。
VSC的直流母线电压通过开关阀的通断形成其交流侧的输出电压。
当每个工频周期内开关阀通断一次时,其交流侧输出电压是一个方波,但是含有比较多的谐波。
SPWM技术采用三角载波和正弦参考电压相交来实现,也就是各相开关阀的开通和关断时刻由该相载波和参考波的交点来决定。
图2.5表示的是正弦脉宽调制的工作原理[10]。
当三角载波的幅值小于参考波时,得到的脉冲使得开关阀V1导通而V4没有,此时输出电压;
当三角载波的幅值大于参考波时,得到的脉冲使得开关阀V4导通而V1没有,此时输出电压。
由此可知,UaN是以两电容中点N为参考点,幅值为Ud/2的宽度不一样的方波电压脉冲。
(a)
(a)单相桥臂示意图;
(b)SPWM波形
图2.5SPWM工作原理
在VSC直流输电中设载波频率fc=350Hz,设正弦波频率fs=50Hz,也就是fc=7fs时,交流输出电压每一个周波有7个宽度不一样的电压脉冲。
随着fs升高每个周波的电压脉冲数也增多。
由图2.5可得,VSC输出的交流电压包含基波、谐波,这其中谐波的次数和开关频率有联系。
当开关频率是奇数的好几次时,输出的交流电压脉冲零基准正弦波对称,这样偶次谐波可以被消除。
2.2.2VSC的控制方式研究
一端换流站(VSC)结构图如下图所示,其中是交流系统电压的有效值,是电感中流过的电流,是等效电抗,是PWM调制以后换流器的交流侧的基波电压的有效值,C是直流侧电容,为直流额定电压[11]。
图2.6一端换流站(VSC)结构图
如图2.6所示,当把换流电压器与换流电抗器的电阻忽略时,VSC输出的交流电压基频分量和系统交流侧母线电压的基频分量一起作用在换流电抗器等效电抗上,并且使得VSC和交流系统之间传输的有功功率P与无功功率Q分别是:
(2-1)
当>
0时,超前,整流器此时工作在整流状态;
当<
0时,滞后,整流器此时工作在逆变状态;
当时,整流器只传输有功功率而不传输无功功率;
当时,整流器只传输无功而不传输有功功率。
对2-1中的P和Q求和的偏导数有:
(2-2)
在时,可以得到:
(2-3)
综上可得结论:
变化主要影响的是P,变化主要影响的是Q,因此可通过间接控制有功功率P,通过间接控制无功功率Q,从而能够达到控制有功功率以及无功功率的目的。
因为和调制比m成正比,故无功Q的传输主要决定于m。
通过控制调制比m就能够控制VSC吸收或者发出的无功功率。
有功传输主要决定于,因此控制就能够控制传输的有功功率以及直流电流的方向[11]。
由以上分析可得VSC的控制方式有定直流电压控制、定直流电流控制、定有功功率控制、定无功功率控制和定交流电压控制等五种控制方式。
不同于传统直流输电,VS
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